Инженерно-геологические процессы

Одним из наиболее часто встречающихся инженерно-геологических процессов на территории Ульяновской области является оползень.

Оползнем называют смещение (сползание) масс горных пород на склонах под влиянием силы тяжести. Сползшие или сползающие массы горных пород также называют оползнем. Среди других видов движения масс горных пород на склонах оползни занимают промежуточное положение между обвалами и грязевыми потоками. Оползни в большинстве случаев связаны с менее крутыми склонами. Движение (сползание) масс пород происходит обычно очень медленно, незаметно для глаз. Состав пород, слагающих оползни, по большей части песчано-глинистый. Но встречаются оползни скальных пород, например известняков. Оползни могут происходить и на суше и под водой, на дне какого-либо водоема (моря, озера, реки).

Одним из существенных факторов, влияющих при определённых условиях на динамику оползней, являются грунтовые воды. Грунтовые воды — это подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водного горизонта, расположенного на первом водонепроницаемом слое (глины). Грунтовые воды имеют свободную водную поверхность, которая поднимается или опускается в зависимости от выпавших осадков. Грунтовые подземные воды заполняют пески разной зерности и цвета, и как правило грунтовые воды залегают близко к поверхности. Выпадающие атмосферные осадки благодаря лёгкой водопроницаемости песков свободно просачиваются и накапливаются в их основании на глинистом ложе. Глубина залегания воды в первых от поверхности песках весьма различна - от 2-3м до 20-25м от поверхности.

Оползневые формы рельефа имеют широкое распространение в Правобережье. Они возникают в процессе соскальзывания крупных земляных масс вниз по склону под действием силы тяжести. Основные причины этого - большая крутизна склонов, глинистый состав горных пород, действие атмосферных и подземных вод и подрезание берегов водами рек и водохранилищ. Оползни у нас проявляются по всему правому склону долины Волги, на правом склоне долины Свияги и ее притоков к северу от Ульяновска, на Суре, в долине Сызранки и др. Оползневые формы разнообразны, огромные цирки диаметром до 200 м, оползни - обвалы и потоки, бугры, террасы, мелкие осовы, оплывины.

Приурочены оползневые явления к районам широкого распространения нижнемеловых и верхнеюрских глинистых и песчано-глинистых пород, а также глинистых, суглинистых и супесчаных четвертичных образований элювиального и делювиального типов, прикрывающих вышеупомянутые глинистые коренные породы. На крутых и высоких склонах вместе с нижнемеловыми глинами нередко оползают и крупные блоки вышележащих верхнемеловых полускальных мелово-мергельных пород.

Обычно оползни развиваются постепенно, смещение земляных масс происходит в различные периоды времени с различной скоростью, но в большинстве случаев довольно медленно. Нередко движение приостанавливается, а затем вновь продолжается. И так однажды начавшийся оползень может двигаться несколько дней, месяцев и даже несколько лет, проходя через ряд стадий своего возникновения, развития и затухания.

Общая причина возникновения оползней заключается в потере устойчивости горных пород, слагающих склон или откос. Иначе говоря, оползни возникают вследствие наступающего несоответствия крутизны склона (или откоса) характеру и состоянию слагающих его горных пород.

Нарушение условий устойчивости склонов, по И. С. Рогозину, наступает в результате природных геологических или искусственных процессов, происходящих на склонах. По характеру своего влияния эти процессы он разделяет на три группы: 1. Процессы, изменяющие внешнюю форму и размеры склона; 2. Процессы, изменяющие внутреннее строение и свойства пород; 3. Процессы, нарушающие условия устойчивости без изменения свойств пород и внешнего вида склона.

К первой группе таких процессов относятся: а) размыв подножья склона текучими водами и ударами волн; б) подрезка склона при устройстве выемок, канав, котлованов, при дноуглубительных работах и др.; в) отсыпка насыпей на склоне; г) всякого рода планировочные работы, а также движение самих оползней, в результате чего происходит перераспределение напряжений в склоне.

Ко второй группе относятся: а) выветривание (замерзание и оттаивание, образование трещин и размельчение породы при высыхании, химические процессы); б) увлажнение пород подземными, атмосферными и хозяйственными водами; в) перемывание, перетирание и перемешивание грунта при переносе его мелкими струями, а также при движении оползней (образование оползневых накоплений), заболачивание и связанное с ним изменение свойств пород (заиление, обогащение органическими остатками и др.); г) суффозия — вымывание мелких частиц потоками подземных вод и связанное с этим разрыхление пород, слагающих склон.

К третьей группе относятся: а) гидродинамическое давление воды, фильтрующейся через горные породы; б) гидростатическое давление воды, попадающей в трещины, пустоты и поры; в) динамические нагрузки на склон от взрывных работ при строительстве дорог и других сооружений, от проходящих поездов и автомобилей, ударов волн и др.; г) увеличение веса пород при увлажнении.

В природных условиях физико-геологические процессы на оползневых склонах происходят в различных сочетаниях и в тесном взаимодействии друг с другом. Степень и формы влияния, а также относительное значение их для образования и развития оползней могут быть самыми разнообразными. Нередко один из процессов преобладает над другими в отношении влияния его на устойчивость склона, что сказывается на характере, внешней форме и размерах оползней.

Сущность и механизм воздействия многих из упомянутых факторов на возникновение и развитие оползней еще мало изучены и особенно такие, как химические процессы в глинистых грунтах (катионный обмен), гидродинамическое давление, изменение, пластических свойств в массиве глинистых пород при увлажнении, высыхании или при оттаивании.

Однако в ряде случаев вполне очевидными преимущественными причинами возникновения оползней оказываются увлажнение глинистых пород, слагающих склон (или откос) поверхностными (дождевыми и талыми) или подземными водами, также подмыв подножья склона текучими водами или в результате волнобоя.

Правобережный Волжский косогор в Ульяновской области является своего рода классическим оползневым районом. Здесь можно наблюдать разнообразные по своим размерам, форме и характеру оползни, возникающие в результате почти всех упомянутых выше природных и искусственных факторов.

Наряду с типичными пластическими оползнями, захватывающими огромные участки косогора, наблюдаются небольшие, но многочисленные оползни-обвалы. После создания Куйбышевского водохранилища (1956 г.) и начавшегося интенсивного размыва береговой полосы (выработка нового бичевника) под воздействием волнобоя резко усилилось образование оползней-обвалов в нижней части склона.

Оползни-потоки наблюдаются преимущественно в верхней части склона, где они образуются в результате насыщения, делювиальных и старооползневых глинистых пород подземными (альбский и аптский водоносные горизонты) и поверхностными (дождевыми и талыми) водами.

Широкое распространение оползней придает особый характер ландшафту правобережного склона Волги на всем протяжении от Ундор до Русской Бектяжки. В верхней части склона — у бровки — наблюдаются дугообразные крутые и высокие стенки отрыва оползней. Ниже по склону видны довольно глубокие оползневые цирки (чаши) с хаосом бугров и впадин с многочисленными ступенями (уступами) срыва и трещинами. Оползневые бугры обычно обсохшие, разорванные открытыми трещинами, а впадины увлажненные, с более пышной водолюбивой растительностью. Нередко во впадинах наблюдаются скопления воды (небольшие озерца и заболоченности).

Оползневые цирки разделяются узкими, резко выраженными довольно устойчивыми межцирковыми гребнями. Последние сохраняются продолжительное время благодаря дренирующей роли прилегающих с обеих сторон оползневых цирков. Вниз по склону межцирковые гребни постепенно утрачивают свою рельефность (расплываются).

Яркую картину оползневого рельефа можно наблюдать на правобережном Волжском косогоре у северной окраины г. Ульяновска, где на протяжении 4—5 км можно насчитать десятки оползневых цирков и межцирковых (межоползневых) гребней.

В тех местах, где у подножья оползневых склонов сохранились участки речных аккумулятивных террас или сформировались своеобразные оползневые террасы из накопившихся старых оползневых масс, современные оползневые явления в нижней части склона обычно не наблюдаются, так как речные и оползневые террасы играют роль естественного контрфорса.

Мощность (толщина) оползневого тела для различных оползневых склонов и различных типов оползней колеблется в широких пределах и часто достигает 4 – 10 м, а в некоторых случаях – 20-40 м.

При изучении оползней в Ульяновске было установлено, что наряду с современными и старыми – заглохшими – оползнями встречаются древние оползни. Некоторые из них оказались погребенными под более поздними делювиальными, оползневыми или речными отложениями.

Исключительный интерес к оползневым процессам объясняется тем, что оползни наносят огромный ущерб народному хозяйству. Они нарушают железные и шоссейные дороги, портовые сооружения, промышленные, жилые и хозяйственные постройки, сельскохозяйственные угодья, затрудняют в некоторых, случаях экономическое развитие крупных населенных пунктов и промышленных центров.

Современные оползневые процессы на территории города Ульяновска представляют значительную опасность для зданий и сооружений, расположенных в пределах оползневой зоны рек – Волги и Свияги.

Оползни происходят вследствие подмыва склона, переувлажнения грунтов, техногенных динамических воздействий и иных процессов. Оползневые процессы рассматриваемой территории приурочены, как правило, к районам широкого распространения нижнемеловых глинистых и песчано-глинистых пород, а также четвертичных отложений элювиального и делювиального происхождения, перекрывающих коренные глинистые породы.

За время существования города Ульяновска оползнями в разное время были разрушены и повреждены многие жилые дома, общественные и производственные здания, хозяйственные постройки, железные и шоссейные дороги, инженерные сети.

В последнее время повысилась вероятность оползневых проявлений по причине резкого сокращения финансирования противооползневых мероприятий. Многие объекты инженерной защиты практически вышли из строя, работы по их восстановлению проводятся в недостаточном объёме. Это вызвало значительную интенсификацию малых оползневых явлений (оползней-сплывов и других поверхностных оползневых процессов). Произошла активизация старых оползней в районе железной дороги, в районе нового моста через р. Волгу, в районе городского водозабора и в районе городских очистных сооружений.

На формирование оползневой ситуации в городе Ульяновске оказывают влияние следующие факторы:

геологическое строение;

крутизна склона;

метеорологические условия;

режим подземных вод;

гидрографическая ситуация водохранилища, влияющая на размыв основания склона;

деятельность оврагов;

утечки из инженерных коммуникаций, систематический ненормируемый полив насаждений, расположенных на склонах;

строительство на прибровочной части склона;

засыпка оврагов без соответствующей инженерной подготовки.

Все эти факторы приводят к снижению общей устойчивости склонов и повышению вероятности оползней.

Взаимодействие указанных факторов, как следствие, формирует такие условия среды, которые в совокупности определяют закономерности изменения напряженного состояния склонов и прочностных свойств слагающих их пород, поскольку каждое их воздействие влияет на устойчивость либо через прочность, обусловленную характером увлажнения грунтов, либо через величину или распределение действующих напряжений в грунтовом массиве.

Для борьбы с оползнями при учете выше приведенных факторов применяется ряд организационных и инженерных противооползневых мероприятий, которые объединяются в две группы:

- пассивные мероприятия;

- активные мероприятия.

К пассивным мы относим мероприятия охранно-ограничительного характера, а именно:

- запрещение подрезки оползневых склонов и устройства различных выемок;

- недопущение подсыпок в пределах оползневой территории;

- запрещение строительства на оползневом склоне зданий и сооружений без разработки и реализации необходимых противооползневых мероприятий;

- запрещение производства взрывных и горных работ на оползневых участках и в непосредственной близости от них;

- ограничение скорости движения железнодорожных составов в зоне, прилегающие к оползневой территории;

- недопущение уничтожения древесно-кустарниковой и травянистой растительности;

- запрещение обильного полива земельных участков на оползневых территориях;

- недопущение сброса на оползневой склон ливневых, талых, сточных и других вод.

К активным противооползневым инженерным мероприятиям относятся:

- регулирование стока поверхностных (талых и дождевых) вод;

- реализация мер по предупреждению и борьбе с утечками воды из водонесущих коммуникаций и сооружений;

- дренирование оползневых склонов поверхностными и глубинными дренажными устройствами;

- механическое удерживание грунтовых масс в равновесии с использованием инженерных сооружений;

- строительство в низовой части оползневого косогора контрбанкета;

- выполнение берегоукрепительных мероприятий и т.п.

В дополнение к этим мероприятиям предусмотрена посадка деревьев со стержневой корневой системой. Эти мероприятия можно проводить на террасах склона.

Должна быть выполнена очистка существующих дренажных и ливневых систем, а также дополнительное дренирование территории склона и организация ливнестоков.

Необходимо организовать регулярные наблюдения за поведением грунтовых слоев оползневой зоны. Это можно выполнять как периодическими замерами, так и специальными приборами, заложенными глубоко в землю. Результаты этих наблюдений помогут вовремя выявить начало разрушительных процессов, спасти человеческие жизни и материальные ценности.